CN110411450B - 一种用于压缩轨迹的地图匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于压缩后轨迹的地图匹配方法,具体包括以下步骤:步骤1,对于接收到的原始轨迹,使用在线轨迹压缩算法进行压缩,并在压缩时统计辅助信息,所述辅助信息为原始轨迹在压缩轨迹线段左右两侧的长度;步骤2,进行局部路径恢复,所述路径局部路径基于行为图进行行为权重估计,并进行最短路径搜索,得到局部最优路径;步骤3,基于所述局部路径恢复计算出的局部最优路径进行全局路径解码,得到整个轨迹序列找到最终的匹配结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨迹匹配方法,尤其涉及一种用于压缩轨迹的地图匹配方法。
背景技术
广泛使用的GPS传感器和移动设备收集了大量的轨迹数据。这些轨迹数据为基于位置的服务、城市交通流量分析、轨迹模式挖掘等应用提供了基础,对于城市建设具有重要意义。然而,采集、传输和管理大量的轨迹数据为终端、网络和服务器系统带来了巨大的挑战。首先,原始轨迹数据需要从终端设备上传到服务器中,大量轨迹数据的上传会造成网络传输的压力。其次,大量、冗余的原始轨迹数据,需要越来越大的存储空间来进行存储。最后,系统中存储的大量轨迹数据又会增加查询的计算量,降低查询速度,影响系统体验。
与此同时,轨迹上传至服务器后,有时还需要将轨迹点匹配到路网上,以支持后续的基于位置的服务。在压缩后的轨迹上进行地图匹配,可以降低计算开销,加快系统的响应速度。因此,我们需要针对压缩后轨迹的行之有效的地图匹配算法。然而,传统的地图匹配方法针对原始轨迹设计的,若直接将这些传统方法应用于压缩后的轨迹上,会造成匹配准确率的降低。究其原因,是压缩轨迹有其自身不同于原始轨迹的特点,从而压缩轨迹的地图匹配与原始轨迹的地图匹配有明显的区别。首先,对轨迹进行压缩后,轨迹变得更稀疏,在压缩后的轨迹上进行地图匹配固然可以减少需处理的数据量,进而减少执行时间,但是同时会对地图匹配带来困难。若按常规的地图匹配方法进行匹配,将导致匹配准确率的显著下降。其次,原始轨迹点到压缩后的轨迹之间的距离在一个误差界限之内。这是由轨迹压缩算法的误差有界要求保证的。这意味着压缩轨迹具有特定的几何特征,这些几何信息可以用于辅助地图匹配过程,从而提高匹配准确率。
发明内容
本发明提供一种用于压缩后轨迹的地图匹配方法,该系统基于隐马尔科夫模型进行建模,并在路径恢复和转移概率的计算时考虑了压缩轨迹的特点,以提高匹配准确率。具体包括以下步骤:步骤1,轨迹压缩与辅助信息统计:对于接收到的原始轨迹,使用在线轨迹压缩算法进行压缩,并在压缩时统计辅助信息,所述辅助信息为原始轨迹在压缩轨迹线段左右两侧的长度L.L,L.R;步骤2,局部路径恢复:用来在两个相邻轨迹点之间计算出一条局部最优路径;步骤3,全局路径解码:基于局部路径恢复计算出的局部最优路径,为整个轨迹序列找到一条可能性最大的路径,作为最终的匹配结果。本发明实施的流程图如图1所示。
附图说明
图1为本发明实施的流程图;
图2为本发明压缩轨迹的地图匹配方法示意图;
图3为本发明根据距离阈值提取子图;
图4为本发明的行为图示例;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明压缩轨迹的地图匹配方法示意图如图2所示。本发明提供一种用于压缩后轨迹的地图匹配方法,该系统基于隐马尔科夫模型进行建模,并在路径恢复和转移概率的计算时考虑了压缩轨迹的特点,以提高匹配准确率。具体包括以下步骤:步骤1,轨迹压缩与辅助信息统计:对于接收到的原始轨迹,使用在线轨迹压缩算法进行压缩,并在压缩时统计辅助信息,所述辅助信息为原始轨迹在压缩轨迹线段左右两侧的长度L.L,L.R;步骤2,进行局部路径恢复,用来在两个相邻轨迹点之间计算出一条局部最优路径;步骤3,全局路径解码:基于局部路径恢复计算出的局部最优路径,为整个轨迹序列找到一条可能性最大的路径,作为最终的匹配结果。
轨迹点(P):轨迹点P=(x,y,t)定义为一个三元组(x,y,t),表示移动对象在时刻t位于经度x,纬度为y的位置。
压缩轨迹线段(L):压缩轨迹线段为表示连接两个端点ps和pe的直线段。同时,线段包含属性L.Lp和L.Ln分别记录了原始轨迹在压缩轨迹线段两侧的长度。压缩轨迹线段L实际上表示了原始轨迹T中ps到pe之间的所有轨迹点。
路段(r):一个路段r=(vs,ve)表示地图中的连接两个端点的一条边。路段包含属性r.Lp和r.Ln分别记录了路段在压缩轨迹线段两侧的长度。
路径(R):路径R={r1,r2,…,rm}是连续的路段序列,其中各条路段满足ri.ve=ri+1.vs.
路网(G(V,E)):路网(G(V,E))是一个有向图,其中V是所有端点的集合,E是所有路段的集合。
地图匹配:给定一条GPS轨迹(T)及相应的路网(G(V,E)),地图匹配的目标是在路网中找到一条路径R,该路径为用户真实经过的路径的可能性最大。
本发明由于压缩轨迹的误差有界特点,从原始路网G(V,E)中提取一个路网子图(GS(VS,ES))。具体地,如图3所示,子图范围为:以压缩轨迹线段L为对称轴,宽度为w=2*(∈+rs),长度为l=L.Lp+L.Ln+2*rs的矩形范围。其中,∈为轨迹压缩时使用的距离阈值,rs为候选路段的搜索半径。后续的匹配过程都在子图上进行,可以缩小搜索范围,加快系统的执行速度。
本发明提出的局部路径恢复模块用来在两个相邻轨迹点之间产生局部最优路径。本发明中,该模块在一张特殊的行为图上进行操作。行为图是一张从路网中抽象出来的带权有向图,用来对用户的行为进行描述,其中还考虑了轨迹点在压缩轨迹线段两侧的分布特点。两个轨迹点之间的局部最优路径通过在行为图上进行最短路径搜索产生。
如图4所示,行为图中一个结点表示路网中的一条路段,一条边描述了在路网中从一条路段转移到另一条相邻路段的行为。图中边的权重可以用来表示做出这一转移行为的可能性。
本发明中,行为的权重估计除了考虑路段长度和路段之间的转弯角度两个因素之外,还针对压缩轨迹的匹配,考虑了压缩轨迹的几何特征,以提高匹配的准确率。本发明中,使用三项权值的加权和来作为行为权重的估计:ω=ωL+ηTωT+ηφωφ,其中的两个系数ηT和ηφ作为可调节的系数,在不同环境下可以有不同的设置。
其中,ωL为长度分量,表示该行为终点路段的长度,ωT为角度分量,表示该行为中从起点路段到终点路段的转弯角度带来的影响,ωφ为分布比例相似性分量,表示路段在压缩轨迹线段两侧的长度分布与原始轨迹在压缩轨迹线段两侧的长度分布相似性的影响。
全局路径解码模块中,转移概率描述了用户从一个候选路段移动到另一个候选路段的可能性大小。转移概率的正确建模是整个模型的关键之处。为了正确计算轨迹稀疏时的转移概率,我们充分考虑了压缩轨迹的特点,利用从原始轨迹中统计得到的辅助信息来计算转移概率。具体地,转移概率定义为:
其中,δD为轨迹中两个GPS观测点之间的轨迹距离dL与在路网中两点之间的行驶距离dR之差的绝对值。行驶距离为路径恢复模块所计算出的局部最优路径的长度。
δD=|dL(Pi,Pi-1)-dR(Pi,Pi-1)|
δR=|φL-φR|表示位于压缩后轨迹线段正侧的轨迹长度比例φL与位于压缩后轨迹线段正侧的路径长度比例φR之差。在距离差的基础上加上这一项,可以尽可能选择出与原始轨迹相似的路径。:压缩轨迹的线段表示是一个压缩轨迹线段的序列,其中L0.ps=p0,Li.pe=Li+1.ps, 表示压缩轨迹线段中的第i段子序列。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种用于压缩轨迹的地图匹配方法,其特征在于,具体包括以下步骤:步骤1,对于接收到的原始轨迹,使用在线轨迹压缩算法进行压缩,并在压缩时统计辅助信息,所述辅助信息为原始轨迹在压缩轨迹线段左右两侧的长度;步骤2,进行局部路径恢复,所述路径局部路径基于行为图进行行为权重估计,并进行最短路径搜索,得到局部最优路径;所述局部路径恢复在一张特殊的行为图上进行操作,所述行为图是一张从路网中抽象出来的带权有向图对用户的行为进行描述,在行为图上使用最短路径搜索产生用户两个轨迹点之间的局部最优路径,使用三项权值的加权和来作为行为权重的估计:ω=ωL+ηTωT+ηφωφ,其中系数ηT和ηφ为可调节的系数,ωL为长度分量,表示该行为终点路段的长度,ωT为角度分量,表示该行为中从起点路段到终点路段的转弯角度带来的影响,ωφ为分布比例相似性分量,表示路段在压缩轨迹线段两侧的长度分布与原始轨迹在压缩轨迹线段两侧的长度分布相似性的影响;
步骤3,基于所述局部路径恢复计算出的局部最优路径进行全局路径解码,得到整个轨迹序列找到最终的匹配结果;利用从原始轨迹中统计得到的辅助信息来计算转移概率,转移概率为: 其中,δD为轨迹中两个GPS观测点之间的轨迹距离dL与在路网中两点之间的行驶距离dR之差的绝对值,δR=|φL-φR|表示位于压缩后轨迹线段左侧的轨迹长度比例φL与位于压缩后轨迹线段右侧的路径长度比例φR之差,所述行驶距离为路径恢复模块所计算出的局部最优路径的长度,其中,
δD=|dL(i,i-1)-dR(i,i-1)|,
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤1的具体实现为,对于一段压缩轨迹线段L,在开始处理之前,从原始路网G(V,E)中提取一个路网子图,其中V是所有端点的集合,E是所有路段的集合,所述子图范围为以压缩轨迹线段L为对称轴,宽度为w=2*(∈+rs),长度为l=L.Lp+L.Ln+2*rs的矩形范围,L.Lp和L.Ln分别为记录了原始轨迹在压缩轨迹线段左侧和右侧的长度,∈为轨迹压缩时使用的距离阈值,rs为候选路段的搜索半径。
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